高嵐嵐 紀(jì) 坤 樂 劍

（軍事科學(xué)院戰(zhàn)爭(zhēng)研究院 北京 100091）

1 引言

研究表明，人類獲取的外界信息中有80%以上由視覺通道提供。近幾十年，許多學(xué)者依據(jù)人的視覺行為對(duì)多模態(tài)人機(jī)交互和眼動(dòng)跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究，促成了許多新的應(yīng)用，主要分為基于眼動(dòng)技術(shù)的人機(jī)交互（EB-HCI）、界面評(píng)估（EB-IE）和用戶建模（EB-UM）。例如：Radecky 等設(shè)計(jì)了多種不同滾動(dòng)圖像的界面，并通過眼動(dòng)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)；華為公司研發(fā)了Eyes On Display 技術(shù)，當(dāng)手機(jī)檢測(cè)到用戶的眼睛注視到屏幕的時(shí)候，息屏顯示才會(huì)被點(diǎn)亮，此外，眼動(dòng)跟蹤技術(shù)還廣泛應(yīng)用于用戶行為分析、用戶視覺搜索分析和興趣分析等方面。這些依靠眼動(dòng)信號(hào)的人機(jī)交互方式，不占用手部交互通道，速度更快捷，結(jié)果更直觀，交互更自然。

艦船是復(fù)雜人機(jī)系統(tǒng)，具有協(xié)同關(guān)系復(fù)雜、交互操作繁多、艙室環(huán)境惡劣、作業(yè)時(shí)間冗長(zhǎng)，有限或特定空間中人流、物流、信息流高度密集等特點(diǎn)。船舶控制系統(tǒng)繁瑣的人機(jī)作業(yè)中，點(diǎn)擊操作是使用頻率最高的操作方式，是完成多種復(fù)雜操作任務(wù)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)點(diǎn)擊操作方式多為鼠標(biāo)、軌跡球或觸控等交互方式，占用了手部交互通道，不符合人的思維方式和生理習(xí)慣，因此在人機(jī)界面設(shè)計(jì)過程中，通過眼動(dòng)解放雙手的交互方式提高用戶的信息獲取能力就顯得尤為重要。

本研究在實(shí)驗(yàn)室模擬的船舶控制系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境下，開展眼動(dòng)交互與傳統(tǒng)交互方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集分析和用戶滿意度問卷調(diào)查，對(duì)眼動(dòng)交互在點(diǎn)擊操作任務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為眼動(dòng)交互在船舶系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)為多方向指向點(diǎn)擊任務(wù)，如圖1 所示，參與者通過選擇最高目標(biāo)（目標(biāo)0）開始任務(wù)，通過圖中箭頭所示路徑沿目標(biāo)順序依次點(diǎn)擊，直到25 位置目標(biāo)。以上操作重復(fù)進(jìn)行10 次，完成任務(wù)。通過對(duì)參與者反應(yīng)時(shí)、精準(zhǔn)度、錯(cuò)誤次數(shù)的10 次操作平均數(shù)據(jù)記錄，得出用戶不同交互方式的點(diǎn)擊任務(wù)操作績(jī)效。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)放調(diào)查問卷，通過統(tǒng)計(jì)調(diào)查問卷的方式收集用戶滿意度信息。

圖1 點(diǎn)擊按鈕任務(wù)圓盤位置編號(hào)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.2.1 實(shí)驗(yàn)范式

實(shí)驗(yàn)使用目標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)范式。ISO 9241-9 是一組標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，被用于評(píng)估辦公環(huán)境中的非鍵盤輸入設(shè)備，是一種被推薦作為評(píng)估光標(biāo)控制設(shè)備交互性能的首選測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)顯示設(shè)備使用硬殼科技NT24型23.8英寸觸控顯示器配合HP服務(wù)器。

2.2.2 輸入方式

實(shí)驗(yàn)使用四種信息輸入方式：鼠標(biāo)、軌跡球、觸控、眼動(dòng)。其中鼠標(biāo)交互輸入設(shè)備為羅技N26 鼠標(biāo)。觸控交互輸入設(shè)備采用硬殼科技NT24 型23.8英寸觸控顯示器，目標(biāo)尺寸大小為56px；眼動(dòng)交互輸入設(shè)備為Tobii 4C眼控儀，程序使用JavaScript編寫，基于chrome瀏覽器在1920×1080像素下的環(huán)境進(jìn)行調(diào)試及實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 反饋方式

實(shí)驗(yàn)使用兩種信息反饋方式：視覺反饋和聽覺反饋。其中視覺反饋需要點(diǎn)擊的目標(biāo)呈灰色，點(diǎn)擊時(shí)出現(xiàn)陰影效果作為視覺反饋，完成點(diǎn)擊后灰色變成白色，如圖2 所示；聽覺反饋需要點(diǎn)擊的目標(biāo)呈灰色，點(diǎn)擊時(shí)加入耳標(biāo)作為刺激反饋，按下時(shí)產(chǎn)生“嘀”提示音，完成點(diǎn)擊后黃色變成白色，如圖3所示。

圖2 視覺反饋效果示意圖

圖3 聽覺反饋效果示意圖

2.2.4 變量設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的自變量為四種操作方式（鼠標(biāo)、軌跡球、觸控、眼動(dòng)），兩種反饋方式（視覺反饋、聽覺反饋）。實(shí)驗(yàn)可輸出的因變量為反應(yīng)時(shí)、精準(zhǔn)度、錯(cuò)誤次數(shù)。

2.2.5 被試

被試總?cè)藬?shù)為30 人，男20 人，女10 人，年齡在20～30 周歲之間，右利手，視力或矯正視力正常，經(jīng)過不限次數(shù)實(shí)驗(yàn)前訓(xùn)練，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作和輸入設(shè)備熟悉。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 不同交互方式操作效率的橫向比較

3.1.1 點(diǎn)擊時(shí)間

點(diǎn)擊時(shí)間指的是屏幕右側(cè)出現(xiàn)帶號(hào)碼的點(diǎn)擊提示到被試點(diǎn)擊目標(biāo)小球的時(shí)間。從圖4 中可以看出，眼控的操作時(shí)間遠(yuǎn)大于其他三種，不同反饋方式對(duì)點(diǎn)擊操作時(shí)間的影響較小。

圖4 四種操作方式點(diǎn)擊時(shí)間

3.1.2 準(zhǔn)確度

在工效學(xué)實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確度的高低通常以偏移比來衡量，本實(shí)驗(yàn)的偏移比是指被試點(diǎn)擊位置與小球真實(shí)位置的相符合程度，即偏移比越小，準(zhǔn)確度越高。由圖5 可以看出。眼動(dòng)交互的偏移量略高于鼠標(biāo)交互和觸控交互，與軌跡球交互相比差別不大，且眼動(dòng)交互偏移量受反饋方式的影響可以忽略不計(jì)。

圖5 四種操作方式偏移比

3.1.3 錯(cuò)誤次數(shù)

錯(cuò)誤次數(shù)，是指被試點(diǎn)擊的小球編號(hào)不是被要求的編號(hào)或點(diǎn)擊位置沒有在小球的有效點(diǎn)擊范圍內(nèi)。由圖6 可以看出，眼控交互的錯(cuò)誤次數(shù)遠(yuǎn)超其他操作方式，且聽覺反饋可以在一定程度上減少眼控操作的錯(cuò)誤次數(shù)。

圖6 四種操作方式錯(cuò)誤次數(shù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在點(diǎn)擊任務(wù)中，眼控交互的操作時(shí)間和錯(cuò)誤次數(shù)遠(yuǎn)高于其他三種交互方式，操作偏移比略高于其他交互方式，另外，反饋方式對(duì)眼控操作點(diǎn)擊時(shí)間和點(diǎn)擊偏移無明顯影響，對(duì)點(diǎn)擊錯(cuò)誤率有所影響，無反饋條件下，點(diǎn)擊錯(cuò)誤率略高于聽覺反饋，因此可適當(dāng)采用聽覺反饋提高眼控點(diǎn)擊操作的正確率。實(shí)驗(yàn)過程中觀察發(fā)現(xiàn)，眼動(dòng)交互效率不理想的原因主要有兩方面：一是參與本次實(shí)驗(yàn)的被試對(duì)于鼠標(biāo)、觸控操作具有很好的適應(yīng)性；二是在眼控點(diǎn)擊的過程中，當(dāng)視線鎖定目標(biāo)區(qū)域后，點(diǎn)擊的瞬間，視線容易出現(xiàn)跳躍，有時(shí)跳躍到無效區(qū)域，需要重新鎖定視線，出現(xiàn)誤擊。

3.2 不同交互方式多次操作結(jié)果的橫向比較

本研究3.1 節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于10 次操作得出的平均數(shù)據(jù)，為盡量減小不同操作方式適應(yīng)性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)無反饋條件下，不同交互方式的點(diǎn)擊時(shí)間、精度、錯(cuò)誤次數(shù)隨著任務(wù)次數(shù)增加的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，趨勢(shì)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1～4所示。

表1 鼠標(biāo)操作趨勢(shì)性數(shù)據(jù)

表2 軌跡球操作趨勢(shì)性數(shù)據(jù)

表3 觸控操作趨勢(shì)性數(shù)據(jù)

表4 眼控操作趨勢(shì)性數(shù)據(jù)

隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的不斷增加，眼動(dòng)交互的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化相對(duì)明顯。點(diǎn)擊時(shí)間方面，第10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較第1 次縮短了40.5%；準(zhǔn)確度方面，第10 次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較第1次提高了5%；錯(cuò)誤率方面，第10次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較第1 次減少了52%。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，眼動(dòng)交互各因變量的效率提升幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他交互方式，這符合人的認(rèn)知規(guī)律，說明可以通過不斷學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來達(dá)到提高眼動(dòng)交互效率的目的。

3.3 用戶問卷調(diào)查

在被試完成操作任務(wù)后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)被試發(fā)放并回收調(diào)查問卷30 份，通過統(tǒng)計(jì)調(diào)查問卷的方式收集用戶滿意度信息。被試的教育情況、學(xué)習(xí)能力、積累的知識(shí)、過往的經(jīng)歷、對(duì)船舶控制系統(tǒng)任務(wù)需求的理解以及使用計(jì)算機(jī)的熟練程度等，都會(huì)對(duì)問卷調(diào)查結(jié)果產(chǎn)生一定影響，采取用戶問卷調(diào)查的方式測(cè)評(píng)用戶滿意度，有助于站在用戶需求的視角上，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)船舶控制系統(tǒng)人機(jī)交互過程，優(yōu)化“人在回路”中的人為因素。

3.3.1 眼動(dòng)交互

對(duì)調(diào)查問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，30 名被試完成任務(wù)后分別就眼動(dòng)儀外觀及交互舒適度、交互系統(tǒng)界面、靈敏度和交互綜合體驗(yàn)的滿意程度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，每項(xiàng)打分均為10 分制。對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到平均滿意度如表5所示。

表5 眼動(dòng)交互用戶主觀評(píng)價(jià)

3.3.2 四種交互方式綜合交互體驗(yàn)評(píng)價(jià)

30 名被試完成任務(wù)后，對(duì)不同交互方式的外觀、舒適度、交互界面、靈敏度等交互體驗(yàn)進(jìn)行打分，不同交互方式綜合交互體驗(yàn)打分如表6所示。

表6 不同交互方式綜合體驗(yàn)感

通過統(tǒng)計(jì)分析調(diào)查問卷可知，眼動(dòng)交互中，被試對(duì)于眼動(dòng)儀外觀和交互舒適度評(píng)分較高，對(duì)眼動(dòng)儀的靈敏度評(píng)分較低。對(duì)比四種交互方式的綜合體驗(yàn)感，觸控交互評(píng)分最高，眼動(dòng)交互體驗(yàn)感略低于鼠標(biāo)，但高于軌跡球。

4 討論

點(diǎn)擊任務(wù)實(shí)驗(yàn)中，相較于其他三種交互輸入方式，眼動(dòng)交互在效率上不具優(yōu)勢(shì)，分析本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的10 次操作得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，被試在第5 次操作后，眼動(dòng)交互的各項(xiàng)數(shù)據(jù)績(jī)效較前幾次操作提升明顯，而其他交互方式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與前幾輪交互相比提高不大。結(jié)合被試對(duì)于鼠標(biāo)，觸控等傳統(tǒng)交互方式的適應(yīng)情況，考慮在人機(jī)交互設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)被試進(jìn)行多次眼動(dòng)交互訓(xùn)練，來提高眼動(dòng)交互效率。

分析反饋方式對(duì)交互效率的影響，可以得出四種交互方式中點(diǎn)擊時(shí)間由短至長(zhǎng)依次為聽覺反饋、視覺反饋、無反饋。聽覺反饋能夠有效減少點(diǎn)擊操作所需的時(shí)間。因此在點(diǎn)擊任務(wù)中，聽覺反饋對(duì)操作時(shí)間存在正向反饋?zhàn)饔?，但眼?dòng)交互，聽覺反饋對(duì)操作時(shí)間和偏移比影響不明顯，采用聽覺反饋只能在一定程度上提高眼控點(diǎn)擊操作的正確率。

用戶問卷調(diào)查中，眼動(dòng)交互體驗(yàn)感略低于鼠標(biāo)交互和觸控交互，眼動(dòng)交互的系統(tǒng)界面和靈敏度評(píng)分過低，其主要原因是受到現(xiàn)有技術(shù)的限制和被試對(duì)于鼠標(biāo)和觸控等高普及度交互方式的良好適應(yīng)，隨著交互技術(shù)水平的不斷進(jìn)步以及眼動(dòng)交互的廣泛應(yīng)用，眼動(dòng)交互綜合體驗(yàn)感會(huì)得到大幅提升。

5 結(jié)語

本次實(shí)驗(yàn)室模擬的船舶控制系統(tǒng)點(diǎn)擊操作任務(wù)中，眼動(dòng)交互的效率不夠理想，但是經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)后，交互效率提升明顯，且眼動(dòng)交互不占用手部等其他交互通道，具有比傳統(tǒng)交互方式更直接，更符合人類思維習(xí)慣的優(yōu)點(diǎn)。未來，隨著船舶系統(tǒng)智能化水平的不斷提高，船舶控制系統(tǒng)的人機(jī)交互研究也會(huì)不斷深入，后續(xù)，隨著眼動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及廣泛應(yīng)用，眼動(dòng)交互將會(huì)更加成熟地應(yīng)用于船舶控制系統(tǒng)，滿足更趨復(fù)雜的人機(jī)交互設(shè)計(jì)需求。